Полевой транзистор

    

 

    Рисунок 1.3 – Схема p-канального МДН-транзистора в області плавного каналу [11] 

    

 

Рисунок 1.4 – Схема p-канального МДН-транзистора в області плавного каналу при наявності напруги на підкладці [11]

    Напруга, що подається на підкладку V_SS, керує струмом в каналі через зміну заряду в області збідніння Q_B, або, що те ж саме, через зміну граничної напруги V_T. Для ефективного збільшення ширини області збіднення,а отже, заряду в області збідніння необхідно подавати зворотне зміщення на індукований електронно-дірковий перехід «канал – підкладка». Для n-канальних транзисторів це умова відповідає негативному знаку напруги на підкладці V_SS < 0, а для p-канальних транзисторів - позитивному знаку напруги V_SS > 0. На рис. 1.4 наведена схема p-канального МДН-транзистора в області плавного каналу при наявності керуючої напруги на підкладці [8]. 

    1.5 Статичні характеристики  МДН-транзистора 

    Якщо  подано напругу U_св то через канал протікає струм і поверхня каналу, яка прилягає до збідненого шару, не буде еквіпотенціальною. Відповідно напруга на p-n – переході буде змінюватись вздовж осі x, зростаючи поблизу стоку. Значить і ширина збідненого шару (рис. 1.5, а). 

Рисунок 1.5 – Переріз каналу польового транзистора в ненасиченому режимі (а), на границі насичення (б), в режимі насичення (в) [12] 

    Коли  різниця потенціалів U_св – U_зв (де U_зв < 0) стане рівною напрузі відсічки U_з.від., товщина каналу поблизу стоку стане рівною нулю, тобто утвориться «горловина» каналу (рис. 1.5, б). Навідміну від випадку U_св = U_з.від. це не призводить до відсічки струму, так як саме утворення «горловини» є наслідком збільшення струму. Замість відсічки струму відбувається відсічка його приросту, тобто насичення струму. 

    З приведеного описання слідує, що напруга насичення для польових транзисторів виражається наступним чином: 

     ,                                              (1.1)

де  .

     Сімейство стокових ВАХ (рис. 1.6, а) має схожість з аналогічним сімейством для МДН-транзисторів (рис. 1.7, а). Але з ростом напруги на затворі (по модулю) струм стоку в даному випадку не підвищиться на зменшиться. Можна сказати, що польовому транзистору властивий режим збіднення, подібно МДН-транзистору із вбудованим каналом.  

Рисунок 1.6 – Статичні характеристики МДН-транзистора: а – вихідні; б – передаточні  [12] 

      Сімейство стоко-затворних ВАХ (рис. 1.6, б) відрізняється  від аналогічного сімейства МДН-транзистора (рис. 1,7, б) насамперед тим, що струм  протікає при нульовій напрузі  на затворі. Умовно можна сказати, що напруга відсічки у польового транзистора еквівалентна від’ємній пороговій напрузі у МДН-транзисторі. 
 
 

Рисунок 1.7 – Статичні характеристики польового транзистора: а – вихідні; б – передаточні [12] 

      Важлива особливість ВАХ на рис. 1.6, б також  у тому, що напруга на завторі  може мати тільки одну полярність. У  даному випадку – від’ємну. У  протилежному випадку напруга на p-n – переході буде прямою, почнеться інжекція неосновних носіїв і транзистор перестане бути уніполярним приладом. Відмітимо, що у МДН-транзистора із вбудованим каналом, які в багатому чому аналогічні польовим транзисторам, обмеження на полярність управляючої напруги не має місця, так як завтор відділений від каналу діелектрика.

      Аналітичні  вирази для ВАХ польового транзистора:

• на крутій ділянці:

 

,                                  (1.2) 

• на пологій ділянці:

 

,                            (1.3)

де R_0мін – опір каналу при U_зв = 0. 

     Вираз (1.3) добре апроксимується квадратичною залежністю, аналогічній залежності для МДН-транзисторів: 

.                                     (1.4) 

     Тут  коефіцієнт b аналогічний питомій крутизні МДН-транзистора і має вигляд: 

                                                         (1.5) 

     Наприклад, при µ = 1500 см²/B∙с, Z/L = 10 і a = 2 мкм отримуємо 0,12 мА/B². Помітимо, що в цьому прикладі ми використовували значення рухомості, яке властиве об’єму напівпровідника, так як у польових транзисторах канал не граничить з поверхнею.

     Польовим  транзисторам як і МДН-транзисторам, властиве поняття критичного струму, при якому залежність струму від  температури в принципі відсутня.

     В польових транзисторах наявність критичного струму обумовлена протилежним впливом  функції b(T) і U_з.від(T). Функція b(T) зв’язана  з температурною залежністю рухливості, так як і у МДН-транзисторах. Що стосується функції U_з.від(T), то із формули для визначення напруг відсічки 

      ,                                         (1.6) 

вона  не витікає. Але якщо при виводі формули (1.6) використовувати більш точну  залежність, то у нього ввійде рівноважна висота бар’єру в p-n – переході; остання залежить від температури. С урахуванням цієї залежності і отримаємо велисину критичного струму.

     З умови  можна знайти напругу на затворі, яка відповідає критичному струму:

.                                      (1.7) 

     Зазвичай  значення критичного струму лежать в  області мікрорежиму [12]. 

     1.6 Вплив типу каналу  на вольт-амперні характеристики  

     Вид вольт-амперної характеристики МДН-транзистора  значною мірою залежить від типу напівпровідникової підкладки і  типу інверсійного каналу. У тому випадку, якщо при нульовій напрузі на затворі  V_G = 0 інверсійний канал відсутній, а у міру збільшення напруги на затворі V_G > V_T з'являється, такий інверсійний канал називають індукованим. Якщо ж при нульовій напрузі на затворі V_G = 0 інверсійний канал вже сформований, такий інверсійний канал називають вбудованим. МДН-транзистори з індукованим каналом при нульовій напрузі на затворі завжди закриті, а МДН-транзистори зі вбудованим каналом при нульовій напрузі на затворі завжди відкриті.

     Залежність  струму стоку I_DS від напруги на стоці V_DS при різних напругах на затворі V_G називають прохідними характеристиками МДН-транзистора, а залежність струму стоку I_DS від напруги на затворі V_G при різній напрузі на стоці V_DS називають перехідними характеристиками МДН-транзистора. У тому випадку, якщо напруга на стоці V_DS більша, ніж напруга відсічки V*_DS, на перехідних характеристиках струм стоку I_DS від напруги на стоці V_DS не залежить [13]

     На  рис. 1.8 приведені вольт-амперні характеристики (прохідні і перехідні) n - канальных і p - канальных МДН-транзисторів з індукованим і вбудованим каналами.  
 

 

     Тут же вказані позначення схемотехнік  різних видів МДН-транзисторів. З аналізу цих вольт-амперних характеристик можна ще раз отримати уявлення про знаки напруги, що подаються на затвор і сток МДН-транзисторів в активному режимі [9]. 

     1.7 Еквівалентна схема і швидкодія МДН-транзистора 

     Виходячи  із загальнофізичних міркувань, МДН-транзистор можна зображувати у вигляді еквівалентної схеми, представленої на рис. 1.9. Тут R_вх обумовлений опором діелектрика підзатвора, вхідна ємність С_BX - ємністю діелектрика підзатвора і місткістю перекриття затвор - виток. Паразитна ємність С_пар обумовлена ємністю перекриттів затвор - сток. Вихідний опір R_вих дорівнює опору каналу транзистора і опору легованих областей витоку і стоку. Вихідна ємність С_вих визначається ємністю р-n - переходу стоку. Генератор струму i₁ передає ефект посилення в МДН-транзисторі [14]. 

     

 

     Рисунок 1.9 – Еквівалентна схема МДН-транзистора [14] 

      Визначимо швидкодію МДН-транзистора: нехай  на затвор МДН-транзистора, який працює в в області відсічки, так що V_GS = V_DS = V_жив подано змінну напругу . Тоді за рахунок підсилення в стоковому колі потече струм рівний: 

.                                                        (1.8) 

     Одночасно в канал з електрода затвору  потече паразитний струм зміщення через  геометричну ємність затвора, який рівний:  

      .                                              (1.9) 

      З ростом частоти вихідного сигналу  f паразитний струм буде зростати і може зрівнюватися з струмом каналу за рахунок ефекту підсилення. Визначимо граничну частоту роботи МДН-транзистора f = f _макс, коли ці струми будуть рівні: 

.                                            (1.10) 

      Оскільки  напруга виток - сток V_DS порядка напруги V_GS - V_T, то, використовуючи визначення дрейфової швидкості: 

.                                    (1.11) 

      Можна бачити, що гранична частота підсилення f_макс визначається  часом прольоту τ електронів через канал транзистора: 

.                                (1.12) 

     Оцінимо швидкодію транзистора.

     Нехай величина рухливості μ_n = 500 см²/(В∙с), довжина каналу L = 10 мкм, напруга живлення V_живл  = 10 В. Підставляючи ці значення в (1.10), отримаємо, що максимальна частота для МДН-транзистора складає величину порядку f_макс = 1ГГц. Також необхідно відмітити, що власна швидкодія транзистора обернено пропорційна квадрату довжини інверсійного каналу. Тому для підвищення швидкодії необхідно переходити на субмікронні довжини каналу.

 

     Розділ 2 ГАЛУЗІ ВИКОРИСТАННЯ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ 

     2.1 Підсилювачі на  основі польових  транзисторів 

     Польовий транзистор як і будь-який інший активний електронний прилад з трьома виводами, може бути увімкнений в схему підсилювання трьома різними способами. В залежності від того, який з електродів польового транзистора є спільним по змінному струму для вхідного і вихідного кіл підсилювача, розрізняють схему з спільним витоком (СВ, рис. 2.1, а), схему зі спільним стоком, яку називають витоковим повторювачем (СС, рис. 2.1, б), схему зі спільним затвором (СЗ, рис. 2.1, в). яка на практиці використовується дуже рідко [15].